摘 要：一臺用于測定農田蒸騰蒸發和地下水—土壤水轉化的新型稱重式蒸滲儀在中國科學院禹城試驗站建造完成，并連續數年成功運行。新型蒸滲儀主要有以下特點：(1)蒸滲儀精度0.016mm，可同時準確測量蒸騰蒸發量和地下水對土壤水的補給量與入滲量；(2)蒸滲儀面積3.14m2，深度5m，充分允許農作物根系發育與吸水、土壤水和地下水水分轉化、地下水位變化等過程的進行，可以較好的代表大田的情形；(3)蒸滲儀的供排水系統能夠在蒸滲儀內模擬實際地下水位變化；(4)土柱重30～34Mg，包含非飽和與飽和土壤，土壤質地以粉沙和輕壤為主。自1998年10月至1999年6月冬小麥生長期蒸滲儀運行結果表明：在冬小麥生長期，當地下水在1.6～2.4m變動時地下水對土壤水的補給量約占總蒸騰蒸發量的16.6%.過多的灌溉量不僅削弱了地下水對土壤水的補給，而且多余的灌溉水下滲補給地下水。中子儀和負壓計數據表明潛水對土壤的水分分布和土水勢分布有很大影響。

關鍵詞：GSPAC系統；蒸滲儀；蒸騰蒸發；水分轉化；土壤水；地下水

　　在地下水淺埋區，地下水、土壤水和大氣水聯系密切、轉化頻繁，潛水參與和影響了SPAC系統的水分、生物、化學等過程。為此筆者提出將SPAC系統與地下水層納入到同一體系中，構成地下水層—土壤—植物—大氣連續體(GSPAC)系統[1]。GSPAC系統的界面水分轉化包括蒸騰蒸發、地下水對土壤水的補給和降水對地下水的入滲補給等是農田水分平衡的重要組成。水分運移轉化規律的深入研究使得定量測定水分轉化的系統方法尤為必要。

　　蒸滲儀已經成為測定蒸騰蒸發的標準試驗儀器[2-4]。Aboukhaled等，Marek等和Howell等對蒸滲儀的設計、建造和應用進行了回顧與總結[2,5,6]。蒸滲儀的應用大致可分為三個方面：(1)測定蒸騰蒸發量，或蒸騰量和蒸發量，研究農作物的耗水規律[6～10]；(2)和其它儀器一起測定土壤水中各種化學成分的含量，研究化肥和農藥等對土壤水和地下水的作用與影響[11～14]；(3)測定土壤水向下的滲漏量，研究土壤水量平衡和地下水補給[15～18]。在地下水淺埋區，對于水文過程研究蒸滲儀的深度應該容許農作物的生長與吸水、土壤水運動、地下水與土壤水的水分轉化、地下水位變化等過程的進行。限于其研究目的與深度，目前還沒有一臺蒸滲儀同時考慮這些水文過程。考慮地下水作用的蒸滲儀均是在固定地下水位條件下工作的，這與隨時空而變的地下水位的實際情形是不符合的。蒸滲儀設計的主要困難在于大的稱量同時又要求小的感量。為了獲得更高的精度，需要較大的土柱面積與深度比值[7]。因此，已有的蒸滲儀盡管多數精度為0.02～0.05mm，但很少超過2.5m的土壤深度。

　　禹城地區位于山東省境內的黃河下游沖積平原上。受引黃水影響，區內地下水埋深較淺，常年在0.2m到4.2m之間變動。由于地下水埋深淺，地下水和土壤水的交換轉化關系十分活躍。為了深入研究該區農田水分運移轉化規律，我們設計和建造了一臺新型蒸滲儀。這臺蒸滲儀對以前的蒸滲儀功能進行了擴展，能夠同時測定騰發量和地下水對土壤水的補給量，這樣就可以鑒別在淺埋深地下水作用下作物的耗水模式。本文旨在描述新型蒸滲儀的設計和結構，在敘述過程中，強調了滿足本區特別條件的設計要求；同時，對蒸滲儀的運行結果進行了初步分析。

1 蒸滲儀測量原理

　　對于蒸滲儀中被分離的土柱，其水量平衡方程為

         式中ΔS為土壤蓄存水量的變化量，P為降水量，I為灌溉量，Q為地下水流，ΔR為凈地表徑流量，ET為蒸騰蒸發量。

　　對于蒸滲儀，ΔR一般可忽略，方程(1)可改寫為

  　降水量(P)和灌溉量(I)很容易由雨量計和水表直接測得。土壤蓄存水量的變化量(ΔS)代表降水或灌溉后水分的增加，或蒸騰蒸發作用導致水分的損失，較難測量。我們設計了一臺高精度的稱重系統來測定ΔS.

　　地下水流Q代表由蒸滲儀供排水系統供進和排出土柱的水量。在地下水位不發生變化時，加入到土柱的水量為地下水對土壤水的補給量(Eg)，Eg=Q，由土柱排出的水量為地下水補給量(Rg),Rg=Q.如果大田中地下水位發生了變化，為了保持儀器內水位與大田水位一致，須向土柱內加入或排出一定水量，地下水對土壤水的補給量與入滲量可由其間接計算得出。如果地下水位上升了ΔH

　　a和b為由吸水和脫水試驗測定的系數。實際上，a=b=Δθ，Δθ為地下水位上升或下降時含水量的變化，可由中子水分儀測得。

2 蒸滲儀的設計與結構

　　新型蒸滲儀位于山東省禹城綜合試驗站。蒸滲儀的結構與已有蒸滲儀的結構不同，包括主體系統、稱重系統、供排水系統和數據采集系統。蒸滲儀的俯視圖與側剖面圖如圖1.

圖1 蒸滲儀俯視圖與側視圖                       圖2 蒸滲儀稱重系統測量原理示意圖

2.1 主體系統 蒸滲儀的主體系統是指裝有飽和非飽和土柱的鋼筒、外壁以及土壤中的測試儀器。土柱表面積為3.14m2,可以種植1500株小麥或21株玉米。土柱深達5m，以滿足土壤剖面上地下水位不斷變動的要求。地下水位最深為4.2m，是1985年5月5日觀測到的。3.14m2的表面積和5m深的土壤深度使得蒸滲儀的水分運動條件與大田類似。鋼筒采用物理力學性質較好的16mm厚的城市給排水鋼管。底部采用3.14m2×16mm圓形鋼板。鋼筒內裝4.5m厚的當地壤土，其下為0.5m厚的反濾層(圖1).鋼筒上端高出土柱表面約10cm.

　　土壤是從蒸滲儀旁大田中按10cm一層分層挖出，分層拌勻后再按原來層次依次回填，浸水壓實。土壤主要由粉沙和輕壤組成。經過數年運轉，土壤容重已與原容重非常為接近。土壤容重為1.27～1.41Mg/m3.底部反濾層由粗沙和卵石組成。

　　土柱中的測試儀器包括負壓計、中子水分儀、鹽分傳感器、土壤溶液提取器和溫度計等。各儀器埋設深度(單位：cm)如下：

　　負壓計：20，40，50，60，70，80，90，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300，330，360，390，420，450

　　鹽分傳感器：5，15，25，40，70，110，160，220

　　溶液提取器：30，50，100，150，200

　　溫度計：0，10，20，30，40，60，100，150，200

　　中子水分儀：可測定小于4.5m深度任意點的含水量。

2.2 稱重系統 蒸滲儀鋼筒與土柱重約30Mg，當土壤含水量增大時，重量也隨之增大，最重可達34Mg.盡管如此重的土柱，蒸滲儀要求有較高的分辨率。在禹城地區，年潛在蒸騰蒸發量為900～950mm，平均日蒸騰蒸發量只有2.6mm.據此，蒸滲儀的分辨率是按0.02mm設計的。如果采用普通的稱重系統，具有3.14m2土柱面積和5m土壤剖面深度的蒸滲儀的精度將大大降低。我們與長春試驗機研究所合作研制的機械稱重系統成功地解決了這一難題。

　　該機械稱重系統采用柔性支撐承受土柱的基礎荷載，采用杠桿傳力，位移傳感器顯示位移變化。圖2表明了稱重系統的測量原理。圖中，α為杠桿擺角。當土壤含水量發生變化時，ΔS=Pli-Pli+1，杠桿擺角也相應發生變化，Δα=αi-αi+1，這相當于Δm=mi-mi+1，Δm可由位移傳感器測得。測量結果顯示，ΔS和Δm呈良好得線性關系：

式中ΔS以mm水深表示蒸滲儀重量變化，1mm=62.8g,Δm為位移傳感器讀數顯微鏡的讀數變化值。

2.3 供排水系統 蒸滲儀將其內地下水與大田地下水分離開來，但實際上，蒸滲儀內外的地下水是一體的。為了模擬地下水的實際狀態，需向蒸滲儀內加入或排出一定水量使內外地下水位保持一致。我們所設計的供排水系統可以實現這一功能。供排水系統包括供水箱、排水箱、Mariotte瓶和供排水管道。Mariotte瓶可以沿豎直導軌上下移動通過向蒸滲儀內加入或排出一定水量控制蒸滲儀內地下水位。加入或排出的水量由供水箱和排水箱測量得出。

2.4 數據采集系統 供水箱和排水箱的讀數由人工讀出。稱重系統的數據可由人工或自動數據采集系統獲得。自動數據采集系統由信號放大器和數據采集器組成。通過一組位移傳感器和兩個壓力傳感器，信號放大器能夠探測位移與壓力變化，然后通過電路放大，再將這些數字信號傳輸到數據采集器。數據采集器采用16位單處理片作為CPU控制板，采用E2PROM(8K)作為數據記錄介質。它可以儲存256個或10d的測量數據。RS-232將數據傳輸到打印機或計算機。

3 蒸滲儀測試與校驗

　　蒸滲儀建造完成后我們對蒸滲儀的量程、穩定性、重復性和敏感性進行了測試和校驗。在測試中，蒸滲儀地下水埋深固定在2.1m，供排水系統關閉，表面覆蓋以防止蒸發。量程的測試采用依次加載已知重量的砝碼20～3000Kg然后再依次減載的方法，測試結果如圖3(a)(b)。測試數據表現出良好的線性關系(R2＞0.999).為了測試其穩定性，在2h內向蒸滲儀加載3000Kg，然后每30min測量讀數。從圖3(c)可以得出，蒸滲儀在短時間內添加大負荷后在3h內就可穩定。當加載或減載小負荷(＜200Kg)時，稱重系統不顯示滯后性。蒸滲儀的敏感性采用依次加載和減載100g、200g、200g、300g、200g、1000g、1000g、2000g的方法來測試的(圖3(d).結果表明，稱重系統的絕對分辨率為100g，實際分辨率為50g，相當于0.016mm水深。測試還表明，當加入蒸滲儀的負荷不均勻分布時稱重系統表現出易變性，說明大風和偏載對測量結果有一定的影響。

圖3 蒸滲儀測試結果

4 結果與討論

　　從1998年10月8日至1999年6月7日采用蒸滲儀對冬小麥生長期進行了測量。小麥品種為植選1號，前茬為夏玉米。試驗是在天然降水和現行灌溉制度條件下進行的。

4.1 水量平衡 在冬小麥生長期，農田水平衡中最主要的支出項農田騰發量累計為456.66mm.用于供給農田蒸散量以滿足冬小麥耗水的水分來源有三種：天然降水、地下水對土壤水的補給和人工灌溉。冬小麥生長期為一年中的干旱季節，累計降水量僅為115.30mm，占農田蒸散量的25.3%.由此可見，冬小麥的需水規律與天然降水時間分布有著很大矛盾，天然降水量遠不能滿足冬小麥的耗水需要。地下水對土壤水的補給在一定程度上緩解了冬小麥需水的緊張程度。冬小麥生長期地下水埋深在1.60～2.40m之間變動，地下水對土壤水的補給量累計可達75.61mm，約占農田蒸散量的16.6%，這樣在冬小麥的耗水量中有相當比例是由地下水所“貢獻”的。天然降水量和地下水對土壤水的補給量之和為190.91mm，為農田蒸散量的41.8%.為了保證冬小麥的用水需求，還必須進行人工灌溉。人工灌溉以地下水為水源，累計灌溉水量為275.31mm，成為冬小麥生長期間土壤水分的主要補給來源。

圖4 冬小麥生長期地下水對地下水的補給量、地下水入滲量、蒸散量和降水量+灌溉量累計變化曲線

圖5 地下水對土壤水的補給量、地下水入滲量和冬小麥蒸散量逐日變化 圖6 蒸騰蒸發與地下水對土壤水補給日變化

4.2 蒸騰蒸發和地下水對土壤水補給日變化 在冬小麥抽穗期典型的晴天對蒸騰蒸發和地下水對土壤水的補給的日變化進行了觀測。地下水對土壤水的補給變化比蒸騰蒸發變化平緩、穩定(圖6).太陽輻射、風速和云量對蒸騰蒸發速率影響很大，但對地下水補給土壤水的影響間接并且微弱。與蒸騰蒸發速率相比較，地下水對土壤水的補給表現出一定的滯后性。

4.3 土壤水分和土水勢 圖7是蒸滲儀內實測土壤水勢剖面。1999年5月11日至12日灌水107.18mm，5月18日降水14.90mm，5月25日降水23.0mm.灌水前(5月6日～5月11日)土壤呈單一蒸發型水勢分布；灌水開始后，上部土水勢迅速變大，水分向下入滲，而下部土水勢還未受影響，地下水向上運動補給土壤水；隨著土壤水分下滲，所形成的入滲型零通量面不斷下移，土壤水勢分布也由聚合型(5月12日)變為單一入滲型(5月14日)；隨著農田蒸散作用的進行，上部土水勢逐漸變小，分散型零通量面下移，一定時間后(5月21日)又恢復到蒸發型水勢分布；兩次降水使得土壤水勢反復變化，但最終成為單一蒸發型水勢分布(5月31日).這表明，在淺埋深地下水存在條件下，灌溉或降水形成的土壤水分入滲在短時間內超過非飽和帶，對地下水進行補給，灌溉或降水停止后，隨蒸騰蒸發的進行土壤水分消耗后又得到地下水的回歸補給，構成作物覆蓋田間的潛水蒸發，形成在作物覆蓋條件下降水(灌水)—土壤水—地下水—土壤水—植物水—大氣水連續的水分過程。

　　圖8是同期土壤水分剖面。從圖中可以看出，在淺埋深地下水作用下，潛水面以上存在著毛細水帶(張力飽和帶)，深度在80cm以下的土壤由于得到毛細水的補給，體積含水量變化較小，80cm以上的土壤含水量受降雨、棵間蒸發和作物根系吸水的影響變化較大。

圖7 土壤水勢剖面                圖8 土壤水分剖面

5 結論

　　本文描述了一臺用于測定蒸騰蒸發和地下水—土壤水轉化的新型蒸滲儀。蒸滲儀有如下特點：(1)蒸滲儀精度0.016mm，可同時準確測量小時蒸騰蒸發量和地下水對土壤水的補給量與入滲量；(2)蒸滲儀面積3.14m2，深度5m，充分允許農作物根系發育與吸水、土壤水和地下水水分轉化、地下水位變化等過程的進行，可以較好的代表大田的情形；(3)蒸滲儀的供排水系統能夠在蒸滲儀內模擬實際地下水位變化；(4)土柱重30～34Mg，包含非飽和與飽和土壤，土壤質地以粉沙和輕壤為主。新型蒸滲儀為農田水分過程研究提供了一種更系統更綜合的測量工具，在地下水淺埋區農田水分系統研究領域有著廣闊的應用前景。

　　采用蒸滲儀對8個月的冬小麥生長期進行了觀測，通過分析可得到如下幾點認識：(1)淺埋深地下水對土壤水分分布和水勢變化具有很大的影響，農田蒸散量中有相當比例是由潛水蒸發所貢獻的。潛水對土壤水的補給和天然降水一起構成了冬小麥蒸散作用所需水分的天然補給；(2)為了保證冬小麥的正常生長，必須進行水分的人工補給。現行的漫灌方式存在著兩方面的問題：一方面灌溉時間不盡合理，在冬小麥生長的局部階段水分供應不足，不能滿足冬小麥的耗水需求，另一方面一次灌溉量偏大，導致水分的深層滲漏；(3)目前的灌溉沒有考慮地下水對土壤水的補給作用，過多的灌溉量不僅會削弱地下水對土壤水的補給，而且多余的灌溉水還會下滲補給地下水，造成動力能源的損耗。

參考文獻：

[1] 楊建鋒，李寶慶，李運生，等。淺地下水埋深區潛水對SPAC系統作用的初步研究[J]。水利學報，1999，(7)：27～32.

[2] Howell T A,Schneider A D,Jensen M E.History of lysimeter design and use for evapotranspiration measurements[C]。In Proceedings of the International Symposium on Lysimeters for Evapotranspiration and Environmental Measurements,eds.R Allen,T Howell,W Pruitt,I Walter and M Jensen.Honolulu,HI:IR Div,ASAE.1991,1～9.

[3] Young M H,Wierenga P J,Mancino C F.Monitoring near-surface soil water storage in Turfgrass using time domain reflectometry and weighing lysimetry[J]。Soil Sci.Soc.Am.J,1997,(61):1138～1146.

[4] Prueger J H,Hatfield J L, Aase J K,Pikul J L.Bowen-ratio comparisons with lysimeter evapotranspiration[J]。Agron.J,1997,(89):730～736.

[5] Aboukhaled A,Alfaro A,Smith M.Lysimeters.Food and Agr.Org.of the United Nations,FAO Irrig.and Drain[M]。1982,39.

[6] Marek T H,Schneider A D,Howell T A,Ebeling L L.Design and construction of large weighing monolithic lysimeters[J]。Trans.ASAE.1988,31(2):477～484.

[7] Pruitt W O,Angus D E.Large weighing lysimeter for measuring evapotranspiration[J]。Trans.ASAE,1960,(3):13～15.

[8] Ritchie J T,Burnett E.A precision weighing lysimeter for row crop water use studies[J]。Agron.J.1968,(60):545～549.

[9] Dugas W A,Upchurch D R,Ritchie J T.A weighing lysimeter for evapotranspiration and root measurement[J]。Agron.1985,(77):821～825.

[10] Klocke N L,Heermann D F,Duke H R.Measurement of evaporation and transpiration with lysimeters.Trans[J]。ASAE,1985,(28):183～192.

[11] Jones M B,Streetm J E,Williams W A.Leaching and uptake of nitrogen applied to annual grass and clover-grass mixtures in lysimeters[J]。Agron.J,1974,(66):256～258.

[12] Klocke N L,Hergert G W,Todd R W,Watts D G.Percolation lysimeters for water quality sampling[M]。In Proceedings of the International Symposium on Lysimeters for Evapotranspiraton and Environmental Measurements,eds.R G Allen,T A Howell,W Pruitt,I Walter and M Jensen.Honolulu,HI:IR Div,ASAE.1991,299～308.

[13] Klocke N L,Todd R W,Hergert G W,Watts D G,Parkhurst A M.Design,installation,and performance of percolation lysimeters for water quality sampling[J]。Tran.ASAE,1993,(36):429～435.

[14] Martin E G,Loudon T L,Ritchie J T,Werner A.Use of drainage lysimeters to evaluate nitrogen and irrigation management strategies to minimize nitrate leaching in maize production［J］。Trans.ASAE.1994,(37):79～83.

[15] Kirkham R R,Gee G W,Jones T L.Weighing lysimeters for long-term water balance investigations at remote sites[J]。Soil Sci.Soc.Am.J.1984,(48):1203～1205.

[16] Young M H,Wierenga D J,Maneino C F.Large weighing lysimeters for water use and deep percolation studies[J]。Soil Science.1996,(161):491～501.

[17] Wu J,Zhang R,Yang J.Analysis of rainfall-recharge relationships[J]。Hydrol.1996,(177):143～160.

[18] Ayars J E,Mead R M,Soppe R,Clark D A,Schoneman R A.Weighing lysimeters for shallow groundwater management studies[M]。In Proceedings of the International Conference on Evapotranspiration and Irrigation Schedule.1996,825～830。

來源：劉士平，楊建鋒，李寶慶，李運生.新型蒸滲儀及其在農田水文過程研究中的應用